数字式司机控制器的研究

华东交通大学学报

JournalofEastChinaJiaotongUniversityVol.36No.6Dec.袁2019数字式司机控制器的研究

历

洋1袁彭宝林1袁2袁林平1袁2袁刘子英3

渊1.中车株洲电力机车有限公司袁湖南株洲412001曰2.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室袁湖南株洲412001曰

3.华东交通大学电气与自动化工程学院袁江西南昌330013冤

摘要院针对传统司机控制器机械结构复杂尧数字式水平较低的问题袁提出一种基于微控制器的数字式司机控制器设计方法袁并研制了相应样机遥采用非接触式绝对值型光电编码器检测牵引/制动操作手柄位置袁利用软件控制方式代替传统的凸轮组控制开关方式曰同时袁设计了RS-485通讯接口袁并采用触摸屏作为人机交互接口袁方便司机操控遥该设计有助于简化司机控制器机械结构袁提高其数字化水平遥

关键词院数字式曰司机控制器曰微处理器曰光电编码器中图分类号院哉圆远愿

文献标志码院A

令转换为相应电信号袁传递给机车控制单元袁实现对电力机车主电路电气设备的控制[1]遥

在电力机车中袁司机控制器是电力机车牵引与制动操作的主令电器遥司机控制器负责将驾驶员操作指

编码器以及触点开关袁实现逻辑开关量与给定信号输出遥由于不同车型电气控制逻辑不同袁致使司机控制器

根据外观形式不同袁传统的司机控制器可分为手轮式尧扳把式与平推式[2]袁其典型特征是依靠机械机构尧

在凸轮结构尧开关电器数量及其开闭状态等方面均需做出相应调整袁从而造成司机控制器机械结构非常复杂尧难以批量化生产等问题袁严重影响了司机控制器的通用性与可维护性遥此外袁传统司机控制器还存在机械部件磨损问题袁随着使用时间的增长袁其凸轮机构控制精度可能下降袁同时机械开关也存在失效风险遥而且传统司机控制器内部凸轮机构和开关电器所占空间相对较大袁也不具备总线通讯袁无法满足产品小型化尧数字式新要求遥

针对传统司机控制器存在的问题袁许多学者开展了研究工作遥王黎敏等[1]为了解决编码式司机控制器结构复杂尧精度受限以及电位器易磨损氧化等不足袁提出了一种采用非接触式位移传感器取代编码器与电位器的设计方案遥苏昌平等[3]针对传统司机控制器结构复杂尧通用性差等缺点袁提出一种数字化司机控制器初步设计方案遥陈朗等[4]分析了司机控制器参考值转换器故障对地铁车辆可靠性的影响袁开发了一种智能冗余参考值转换器遥聂畅等[5]人研究了西门子网络控制系统与广州地铁应用的契合度遥林平等[6]探索了新型电子式司机控制器设计袁简化司机控制器结构袁提高其适应性遥彭宝林等[7]针对传统司机控制器结构复杂尧部件加工难度大尧逻辑控制集成度不高等问题袁设计了一种模块化尧结构化新型轨道化司机控制器遥

上述研究工作推动了司机控制器技术进步袁但仍有许多问题需要解决遥针对司机控制器机械结构复杂尧数字式水平较低的问题袁提出一种数字式司机控制器设计方法袁按照野GB/T34573-2017轨道交通机车司机控制器冶规范进行设计袁采用微处理器数字化控制代替凸轮组控制开关的方式袁并用非接触式光电编

收稿日期院圆园员9原05原28

作者简介院历洋渊1986要冤袁男袁工程师袁研究方向为轨道交通高低压电器遥

通讯作者院刘子英渊1964要冤袁女袁教授袁研究方向为轨道交通电气化与自动化遥

88华东交通大学学报2019年码器代替电位器袁同时设计了RS485通讯接口袁提高司机控制器数字式水平袁有效减小产品尺寸袁避免机械磨损的影响遥

11.1

数字式司机控制器设计方案分析数字式司机控制器设计原理

数字式司机控制器以微处理器为控制核心袁

机车控制单元智能化司机控制器牵引制动手柄位置编码器模拟量转换微处理器RS-485格雷码FBN采用模块化设计思想袁运用数字化技术实现控制逻辑与操作过程的数字式遥如图1所示袁从功能结构分析袁数字式司机控制器包括机械组件与控制电路两部分袁机械组件包括操作手柄尧控制旋钮及连接手柄主轴与光电编码器的齿轮机构等遥而控制电路则由微处理器尧触摸屏尧非接触式位置编码器尧格雷码模块尧RS-485通讯模块等部分组成遥

数字式司机控制器整体设计方案应力求与现有司机控制器控制逻辑保持一致袁为保证良好操控性袁保留牵引/制动机械手柄袁但采用电子电路实现控制信号输出曰取消凸轮组控制开关方

触摸屏按钮渊换向控制冤图1数字式司机控制器原理框图Fig.1Blockdiagramofdigitaldriver

controllerprinciple

式袁采用控制电路组件实现开关逻辑关系袁并采取冗余设计遥减少数字式司机控制器安装工作量袁提高产品工艺水平遥1.21.2.1

数字式司机控制器功能模块牵引/制动控制模块

数字式司机控制器牵引/制动控制模块主要包括操作手柄及非接触式位置编码器袁用于操纵电力机车

牵引尧制动工况遥操作手柄具有牵引渊T冤尧停止渊韵冤和制动渊B冤3个工作区域遥操作手柄垂直居中时为停止位袁向前推动进入牵引工作区袁向后拉动则进入制动工作区袁操作手柄工作范围为-42.5毅~+42.5毅遥

操作手柄通过齿轮机构带动非接触式位置编码器转动袁如绝对值光电编码器遥位置编码器以数字量将操作手柄位置信息发送给微处理器曰微处理器将接收到的位置信息转换为9位格雷码袁通过电子线路隔离输出袁传送到机车控制单元遥同时袁微处理器还可以利用数字/模拟转换器渊DAC冤将操作手柄位置信息转换为1.2.圆

0~10V电压模拟信号遥

换向控制模块

换向控制模块有前进渊F冤尧倒车渊B冤以及停止渊N冤3种状态遥3种工作状态切换可通过触摸屏或物理开关

实现遥为防止误操作袁传统司机控制器均设计了机械闭锁机构遥数字式司机控制器保留了必要的机械闭锁袁同时还设计了软件闭锁袁例如所有操作必须在操作手柄处于零位时才能进行袁前进操作切换为倒车操作袁必须经过停止状态等遥1.2.猿

触摸屏是数字式司机控制器与司机驾驶员之间重要的人机交互接口袁实时显示司机控制器工作状态袁触摸屏

并负责将司机操作指令传递给微处理器遥设计中应选取工业级触摸屏袁其工作温度范围至少应达到-30~70益遥1.2.源

同时袁触摸屏显示界面简洁尧易读袁并具有良好触摸体验遥

RS-485是工业场合最常用的通讯接口袁具有性价比高尧抗干扰能力强等优点袁适合数据量不大的应用RS-485通讯

场合[8]遥数字式司机控制器需要交互的信息包括司机控制器工作状态与给定量袁需要通讯的数据量相对较小袁因此选取RS-485通讯方式遥同时考虑到通讯可靠性袁采用隔离式RS-485通讯遥

第6期历洋袁等院数字式司机控制器的研究

8922.1

数字式司机控制器硬件与软件设计数字式司机控制器硬件设计

考虑到数字式司机控制器对处理器运算能力与稳定性综合要求袁选取ST公司STM32F103ZE微处理器微控制器选型

圆.1.1

进行设计遥该处理器基于32bitARMCortex-M3内核袁具有512Kbytes程序空间及64Kbytes内存袁运行速度可达72MHz遥该处理器技术成熟尧性价比高袁非常适合嵌入式控制应用遥圆.1.2

采用位置编码器指示牵引/制动操作手柄位置袁为了避免接触式编码器摩擦损耗袁选用非接触式光电编牵引/制动控制电路

码器作为位置编码器遥根据工作原理不同袁非接触式光电编码器可分为增量型与绝对值型两种类型遥增量型光电编码器输出脉冲个数与其主轴旋转角度成正比袁能够反映编码器主轴的相对位置遥当设备掉电或有干扰信号作用时袁内部设备记忆的零点信息可能发生偏移袁从而造成增量型光电编码器定位误差遥而绝对值型光电编码器的每一个位置对应一个确定的数字码袁其示值与测量中间过程无关[9]遥

因此袁选用绝对值型光电编码器进行设计袁具体采用欧姆龙E6CP-AG3C绝对值型光电旋转编码器遥该设计中需要注意的是袁绝对值型光电编码器工作电压为12VDC袁而微处理器工作电压为3.3VDC遥为圆.1.3

了保证牵引/制动控制电路能够正常工作袁采用ACPL-247多通道光电耦合器进行电平匹配遥

通讯功能是司机控制器数字式的基础袁为了保证通讯可靠性袁数字式司机控制器通讯接口电路采用美通讯接口电路

编码器额定工作电压为5~12VDC袁8位数字量输出袁具有抗干扰能力强尧运行稳定性高等特点遥

国模拟器件公司带磁隔离的RS-485收发器ADM2483进行设计袁其最大通讯速率可达500Kbps袁如图2所示遥其中袁TVS1~TVS3为瞬态抑制二极管袁起到浪涌保护作用遥

GND

SCIRXDAI

6OR203k

1

U13A

SN74LVC2G07DBVRGND5VL2

C50.1uf17283456

IYIAL1U4

SCITXDAI32A2Y0.1uf+3.3VU13B

4

C4

OR213k

GNDBLM31PG121

SN74LVC2G07DBVR

Ctrll485

URIB342A2Y5VOR223k

ADM2483

Vdd1Vdd216PVGND215GND1GND29GND1NC14RxDB13

12REA11DENC10TxDNC

BLM31PG121

5VVDD2C6

4851BTVS1

SMBJ6.5CA-TR4GND2TVS2

SMBJ6.5CA-TR4851B1

T90.1uf

4GND2TVS3SMBJ10CA-TR0R231201/4W4851A2

2P2.00SN74LVC2G07DBVR

4851A

Fig.2

图2RS-485通讯电路

CommunicationcircuitofRS-485

圆.1.4

采用迪文科技5英寸工业级串口触摸屏进行显示界面设计袁该触摸屏工作温度为-30~70益袁显示分辨

显示与存储电路

率为800伊480袁满足设计要求遥为了便于设计人机交互界面袁该触摸屏内置250MHzT5双核处理器与64M字节用户存储空间袁可采用USARTHMI开发软件进行GUI编程设计遥微处理器与触摸屏之间通过UART接口进行通讯袁实现显示内容更新与按键操作读取遥此外袁还设计了EEPROM存储电路袁用于存储数字式司2.2

机控制器操作记录袁便于用户进行设备维护遥

数字式司机控制器软件设计

数字式司机控制器软件设计包括微处理器程序设计与触摸屏程序设计遥

90华东交通大学学报2019年圆.2.1

数字式司机控制器微处理器程序由主程序与中断处理程序组成遥主程序主要包括端口初始化尧中断初

微处理器程序设计

始化尧读取EEPROM默认设置尧编码器数据格式转换以及显示内容数据格式转换等子程序袁主程序流程图如图3所示遥采用固定时间间隔进行数据格式转换袁每0.1s执行一次遥

中断处理程序主要包括定时器尧RS-485通讯等中断袁其中定时器中断是多个功能模块的基础袁便于实现操作功能分时处理遥微处理器每10ms产生一次定时器中断袁每次中断处理不同操作袁如读取编码器位置尧获取按键状态尧更新显示内容等袁如图4所示遥

进入中断Timer_Cycle+=1YY读取触摸屏信息开始端口初始化获取按键状态Timer_Cycle==1?NTimer_Cycle==4?NTimer_Cycle==5?NTimer_Cycle==6?Timer_Cycle=0Y中断初始化获取编码器位置YTimer_Cycle==2?NY操作记录存储读取EEPROM默认设置更新显示内容Y编码器数据格式转换Timer_Cycle==3?NN显示内容格式转换退出中断图3主程序流程图

Fig.3Mainprogramflowchart

图4定时器中断流程图

Fig.4Timerinterruptionflowchart

圆.2.2

如图5所示袁利用USARTHMI电脑端软件工具能够实现所见即所得的触摸屏显示界面设计袁该软件允

触摸屏程序设计

许插入用户自定义的图片袁并提供了字库及大量标准化控件遥在电脑端完成界面设计后袁将编译好的程序存入TF卡袁然后再导入触摸屏袁即可实现显示功能设计遥需要注意的是袁图标必须为24位深BMP格式袁且图片名称必须以数字开头袁并按从大到小排序袁否则可能无法识别遥

触摸屏显示界面每个图标对应一个地址袁该地址可在USARTHMI中进行设置遥根据迪文科技提供的通讯协议袁通过向指定地址写入不同数据实现不同图标状态显示遥同理袁微处理器也可以作为返回数据读取指定地址的数据遥为了减少换向开关所占位置袁本设计将换向控制模块设置在了触摸屏上袁包括了前进按钮尧停止按钮尧后退按钮遥

第6期历洋袁等院数字式司机控制器的研究

91图5USARTHMI设计界面Fig.5USARTHMIdesigninterface

3样机调试设计的数字式司机控制器样机如图6所示遥为了模拟数字式司机控制器在实际操作下的运行情况袁将

光电编码器的旋转轴固定在TKS9系列的司机控制器的操作手柄上袁通过滑动操作手柄来改变编码器的输出值遥进入操作界面后袁按下电源开关按钮袁启动数字式司机控制器操作界面袁即可进行如下操作院大小变化填充面积遥

1冤前进+牵引遥按下前进按钮袁将操纵杆往牵引方向推动袁牵引填充三角形开始填充袁且随着牵引力的

1要牵引/制动手柄曰2要牵引/制动填充三角形曰3要速度显示窗口曰4要电源指示灯曰

5要电源开关曰6要换向控制模块曰7要换向手柄图6数字式司机控制器样机

Fig.6Digitaldrivercontrollerprototype

92华东交通大学学报2019年大小变化填充面积遥

2冤前进+制动遥按下前进按钮袁将操纵杆往制动方向推动袁制动填充三角形开始填充袁且随着制动力的

大小变化填充面积遥大小变化填充面积遥制器的要求遥

3冤后退+牵引遥按下后退按钮袁将操纵杆往牵引方向推动袁牵引填充三角形开始填充袁且随着牵引力的4冤后退+制动遥按下后退按钮袁将操纵杆往制动方向推动袁制动填充三角形开始填充袁且随着制动力的通过以上调试袁表明所设计的数字式司机控制器与现有司机控制器的功能完全吻合袁设计满足司机控

4结论针对传统司机控制器机械结构复杂尧数字式水平较低的问题袁提出一种基于微控制器的数字式司机控

制器设计方法袁并研制了相应样机遥

所设计的数字式司机控制器采用非接触式绝对值型光电编码器检测牵引/制动操作手柄位置袁避免了接触式电位器机械磨损遥采用软件控制方式代替传统的凸轮组控制开关方式袁简化了机械结构设计袁提高了产品通用性和可维护性遥同时袁设计了RS-485通讯接口袁并采用触摸屏作为人机交互接口袁方便了司机操控遥参考文献院

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ResearchonDigitalDriverController

LiYang1,PengBaolin1,2,LinPing1,2,LiuZiying3

University,Nanchang330013,China冤LocomotiveSystemIntegration,Zhuzhou412001,China;3.SchoolofElectricalandAutomationEngineering,EastChinaJiaotong

渊1.CRRCZhuzhouLocomotiveCo.,Ltd.,Zhuzhou412001,China;2.StateKeyLaboratoryofHigh-PowerACDriveElectric

粤bstract院Aimingattheproblemofcomplexmechanicalstructureandlowdigitallevelinthetraditionaldrivercontrollers,adigitaldrivercontrollerbasedonMCUwasproposedandthecorrespondingprototypewasdevel鄄oped.Non-contactabsolutevaluephotoelectricencoderwasadoptedtodetectthepositionoftraction/brakingoperationhandle,andthesoftwarecontrolmodewasusedtoreplacethetraditionalcamgroupcontrolswitchsimplifythemechanicalstructureofdrivercontrollerandimproveitsdigitallevel.Keywords院digital;drivercontroller;MCU;photoelectricencoder

mode.Atthesametime,theRS-485communicationinterfacewasintroducedandthetouchscreenwasusedasthehuman-computerinteractioninterfacetofacilitatethedriver'scontrol.Theresultsshowedthatthedesigncan